5G通信中數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究

徐基都

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類移動通信數(shù)據(jù)的流量快速地增長，移動通信設(shè)備的連接數(shù)也在飛速地增加。隨之而來的是各類與移動通信相關(guān)的新業(yè)務(wù)不斷拓展，移動通信的應(yīng)用場景也不斷的出現(xiàn)。第五代移動通信技術(shù)，也就是5G技術(shù)，可以滿足大數(shù)據(jù)量吞吐，設(shè)備高密度連接，高速傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)蜁r延、高可靠的應(yīng)用需求，因此其已經(jīng)成為移動通信領(lǐng)域的研究熱點[1]。

5G技術(shù)不再只是簡單的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其更注重的是互聯(lián)網(wǎng)與智能設(shè)備以及設(shè)備使用者的深度結(jié)合，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的連接向外延伸至萬物互聯(lián)。這就可以為5G網(wǎng)絡(luò)使用者提供更具個性化與智能化的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，從而將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信擴展成一個多元的融合網(wǎng)絡(luò)。由于5G移動通信網(wǎng)絡(luò)所面對的新的應(yīng)用場景，其對通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛粌H需要容量大和速度快，更重要的是要在低延時的前提下確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹2]。只有確保5G技術(shù)中對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃圆拍鼙ＷC其在不同領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用。

1 通過全雙工無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高5G通信中數(shù)據(jù)傳輸可靠性

全雙工無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與之前的半雙工通信技術(shù)相比，其頻譜效率更高，理論上可以將通信數(shù)據(jù)的傳輸速率提高一倍。由于這一特性，全雙工無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在5G通信領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。

全雙工無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在實際應(yīng)用中的一個難點就是如何解決同一節(jié)點的發(fā)射與接收天線之間的自干擾問題。隨著新型消除自干擾技術(shù)的出現(xiàn)，全雙工無線通信收發(fā)天線間的自干擾得到了顯著降低，使得全雙工無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的實際應(yīng)用變成可能。在全雙工無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，媒體接入控制協(xié)議性能直接影響了無線通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能[3]。由于傳統(tǒng)的半雙工媒體接入控制協(xié)議無法適用于全雙工無線網(wǎng)絡(luò)，因此如何在全雙工無線網(wǎng)絡(luò)下設(shè)計和完善全相關(guān)媒體接入控制協(xié)議是確保5G通信中數(shù)據(jù)傳輸可靠性的一個重要問題。有效的全雙工媒體接入控制協(xié)議對共享信道資源的眾多節(jié)點的信道接入行為進行控制，在減少節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸碰撞的同時，實現(xiàn)信道資源公平、高效地分配。

由于無線網(wǎng)絡(luò)中在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中會發(fā)生碰撞問題，進而會引起網(wǎng)絡(luò)接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的效率顯著下降，因此在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中如何解決碰撞問題一直是研究的重點[4]。在全雙工無線網(wǎng)絡(luò)中，由于其允許具有全雙工能力的節(jié)點同時同頻進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此在網(wǎng)絡(luò)通信過程中會產(chǎn)生兩個階段數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎矄栴}。為了實現(xiàn)節(jié)點間全雙工傳輸鏈路建立的可靠性，設(shè)計一個考慮兩階段傳輸信道競爭的全雙工媒體接入控制協(xié)議是十分必要的。由于媒體接入控制協(xié)議可以控制節(jié)點接入和共享無線信道的方式和順序，故而其對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)的頻段使用率、數(shù)據(jù)存儲容量、相關(guān)設(shè)備的復(fù)雜程度和使用成本等都有很大的影響。

按照信道資源的共享方式，媒體接入控制協(xié)議有以下形式。

1.1 固定分配類媒體接入控制協(xié)議

其特點是把一個共享信道按照一定的原則劃分為若干相互獨立的子信道[5]。固定分配類媒體接入控制協(xié)議在通信過程中將每個子信道分配給一個或多個節(jié)點專用。由于這類協(xié)議是面向信息通道的，它能夠在保持較高頻段使用率的同時為數(shù)據(jù)的傳輸提供可靠的保障。

1.2 按需分配類媒體接入控制協(xié)議

這種協(xié)議的特點是以某種特定順序來訪問每個節(jié)點，同時對節(jié)點是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送進行判定，若被判定的節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送則立即發(fā)送，若當前節(jié)點沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送則按順序訪問下一個節(jié)點。采用這種方式可以按照節(jié)點的實際數(shù)據(jù)傳輸需求來動態(tài)地分配帶寬，使各個節(jié)點能夠公平地獲取信道的訪問控制權(quán)。因此其不僅可以降低帶寬資源的浪費，減小數(shù)據(jù)傳輸時延，同時還可以提升系統(tǒng)的信息輸送量，提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

根據(jù)詢問方式的不同，還可以將按需分配類媒體接入控制協(xié)議細分為集中式媒體接入控制協(xié)議和分布式媒體接入控制協(xié)議。

1.3 隨機競爭類媒體接入控制協(xié)議

對于這種協(xié)議來說，不同用戶對于數(shù)據(jù)的接入權(quán)限是通過節(jié)點之間的競爭來獲得。一旦節(jié)點出現(xiàn)競爭沖突，則通過復(fù)傳機制來解決數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題。對于隨機競爭類媒體接入控制協(xié)議，有信息需要發(fā)送的節(jié)點就會以一定方式來競爭共享信道的接入權(quán)，而節(jié)點只要取得信道的接入權(quán)限就會以某種規(guī)則完成通信數(shù)據(jù)的發(fā)送[6]。擁有信道數(shù)據(jù)接收權(quán)的所有的節(jié)點都可以接收到其他節(jié)點發(fā)送的信息，若檢測到自己是此信息的目的節(jié)點則收下信息，否則就會選擇丟棄。

由于隨機競爭類媒體接入控制協(xié)議不僅相對比較簡單，對無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)的不斷變化有極強的適應(yīng)性，而且在業(yè)務(wù)負載較低的情況下表現(xiàn)良好。目前得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2 通過非正交多址接入技術(shù)來提高5G通信中數(shù)據(jù)傳輸可靠性

隨著實時高清視頻傳輸?shù)确?wù)的出現(xiàn)，5G移動通信對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃蕴岢隽烁叩囊蟆Ｅc傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)不同，非正交多址接入技術(shù)可以通過為不同用戶分配不同的頻率來實現(xiàn)域內(nèi)的信息多路徑接入。相較于傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)，非正交多址接入技術(shù)可以進一步提高移動網(wǎng)絡(luò)的頻段利用效率，并增加網(wǎng)絡(luò)可接入用戶的數(shù)量，已成為提高5G移動通信數(shù)據(jù)傳輸可靠性的關(guān)鍵技術(shù)[7]。

非正交多址接入通信的實現(xiàn)主要依賴于接收機所使用的串行干擾消除技術(shù)和發(fā)射機所使用的功率域多重調(diào)用技術(shù)。其中串行干擾消除技術(shù)的基本原理是采用逐級消除的策略，對用戶所接收的數(shù)據(jù)逐個訪問和判定。具體來說就是使用串行干擾消除技術(shù)的接收設(shè)備首先根據(jù)用戶功率的大小來判斷用戶的解碼順序，根據(jù)所判定的順序，在每一序列段只對一個用戶的干擾信號進行檢測和處理。在解構(gòu)用戶的干擾信號后，在接收信號中處理此信號的干擾，最后將已處理后接收信號輸入到下一級。串行干擾消除接收機將重復(fù)以上過程，直至完成所有干擾信號的處理，最終實現(xiàn)對所有用戶信號的檢測和接收。

串行干擾消除接收機從結(jié)構(gòu)上可以分為兩種，碼字級的串行干擾消除接收機和符號級的串行干擾消除接收機。其中碼字級的串行干擾消除接收機首先對用戶干擾信號解調(diào)，再進行翻譯，最后使用譯碼獲得的數(shù)據(jù)信息對干擾信息進行重新解構(gòu)[8]。而符號級的串行干擾消除接收機首先對干擾信息的解調(diào)，再進行硬判決，最后使用判決后獲得的信號進行用戶干擾信號的解構(gòu)。與符號級的串行干擾消除接收機相比，碼字級的串行干擾消除接收機多進行了一步譯碼過程，其計算復(fù)雜程度要高于符號級串行干擾消除接收機。但是由于譯碼過程可以對干擾信號進行檢錯和糾錯，因此碼字級串行干擾消除接收機的檢測結(jié)果更加準確，對于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸簿哂懈玫男阅堋?/p>

功率域多重調(diào)用技術(shù)的特點是對不同數(shù)據(jù)接收節(jié)點分配不同的信號功率，從而形成對于信號功率域的多重調(diào)用。與簡單的功率控制有所不同的是，功率域多重調(diào)用技術(shù)是通過基站運用相關(guān)算法來進行相應(yīng)的功率分配。在采用功率域多重調(diào)用技術(shù)的通信系統(tǒng)中，基站根據(jù)不同用戶的信道使用狀況分配給用戶不同的發(fā)射功率。然后基站發(fā)射多個用戶信息的聯(lián)合編碼，這種聯(lián)合編碼在一般情況下均為疊加碼。

信息接收設(shè)備采用串行干擾消除技術(shù)，依據(jù)其信息傳輸功率的不同對用戶進行分類。串行干擾消除接收機需要理解基站功率分配的排序，依據(jù)這個排序得到解碼的順序。按照先后順序，順序靠后的移動用戶要先對它之前的移動用戶信息進行解碼，并將這些信息中所包含的干擾信息從接收信號中去除掉，然后再解碼自己所要傳輸?shù)男畔ⅰ９β视驈?fù)用技術(shù)充分利用了用戶使用信道之間的差異，從而使得頻率域的使用獲得了復(fù)用增益。對于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說，信道使用增益從小到大的順序就是移動用戶接收機的解碼順序。其中對于只有兩個用戶的系統(tǒng)中，兩個用戶可以共用同一頻率的資源。

而采用功率域多重調(diào)用技術(shù)，就可以為信道增益較小的用戶分配較大的發(fā)射功率，反之為信道增益較大的移動用戶分配較小的發(fā)射功率。這樣使得信道增益較大的移動用戶只用相對較小功率損失就可以獲得較多的帶寬增益，而對于信道增益較小的用戶只需一部分較小的干擾損失就可以獲得較多的功率增益[9]。這類用戶由于獲得了較大的分配功率，必然會獲得服務(wù)質(zhì)量的提升。此功率分配方式可以更好地實現(xiàn)移動用戶之間的公平性。

3 通過正交頻分多址接入技術(shù)來提高5G通信中數(shù)據(jù)傳輸可靠性

正交頻分復(fù)用技術(shù)不但能夠提高系統(tǒng)的頻譜利用率，而且在抵抗頻率選擇性衰落方面表現(xiàn)突出，是無線通信中實現(xiàn)高速率傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。正交頻分復(fù)用是一種多載波調(diào)制方式，基本原理是將高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為多個并行的低速數(shù)據(jù)流，并調(diào)制在一系列正交的子載波上同時進行傳輸。由于低速并行子載波的符號寬度相對增加，使得由多徑時延擴展引起的時域散射量相對減少。通過在每個符號內(nèi)引入保護間隔，幾乎可以完全消除符號間的干擾。在保護間隔內(nèi)，正交頻分復(fù)用符號循環(huán)擴展，避免了載波間的干擾。

由于正交頻分復(fù)用技術(shù)把傳輸帶寬劃分為相互正交的若干子載波，可以將需要傳輸?shù)男畔⒓虞d在這些相互正交的子載波上進行調(diào)制，在多個子載波上實現(xiàn)沒有干擾的并行信息傳輸，從而使頻率資源得到有效的利用[10]。正交頻分復(fù)用調(diào)制利用子載波之間的正交性，使得每一個子載波都可以采用特定的調(diào)制方式服務(wù)于特定的用戶進行數(shù)據(jù)傳輸。通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，就得到了正交頻分多址接入這種多址方式。正交頻分多址接入是基于正交頻分復(fù)用的多用戶接入技術(shù)，其主要思想是從時域和頻域兩個維度將系統(tǒng)的無線資源劃分為資源塊，每個用戶可以占用其中的一個或者多個資源塊。從時域的角度，資源塊包括多個正交頻分復(fù)用符號周期。而從頻域的角度，資源塊包括多個子載波。正交頻分復(fù)用技術(shù)可以在同一個時隙，實現(xiàn)在不同的子載波上支持多個用戶的接入。與此同時，在不同的時隙里，正交頻分多址接入技術(shù)可以滿足在相同的子載波上服務(wù)不同的用戶。

4 結(jié) 論

5G技術(shù)的發(fā)展可為使用者提供更加先進的數(shù)據(jù)傳輸和通信服務(wù)，從而實現(xiàn)為用戶提供增強和虛擬現(xiàn)實、在線視頻、通話和游戲等具有舒適體驗感的服務(wù)。5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用，也將大大拓展5G技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，與工業(yè)、交通以及醫(yī)療等行業(yè)的結(jié)合，為各行各業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的信息與溝通服務(wù)，為其面臨的實際問題提供了信息化的解決方案。

隨著5G技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，人們對于5G技術(shù)的要求也越來越高，這其中就包括對于5G通信中數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求。為了確保5G技術(shù)能夠更好地服務(wù)于社會經(jīng)濟的發(fā)展，相關(guān)研究者還需進一步加強對于該領(lǐng)域的研究，為5G技術(shù)的發(fā)展以及下一代移動通信技術(shù)的研發(fā)打下理論基礎(chǔ)。